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超临界锅炉尾部烟道振动分析及治理

李有信

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中分公司，郑州 450000)

摘要：某电厂超临界II1型锅炉检修后尾部烟道出现振动。经分析、计算、试验，认为振源在低温过热器区域，引起振动的主要原因是卡门涡流脱落频率接近烟道的声学驻波频率而使设备产生高频共振所致。通过在低温过热器区域加装防振隔板，振动问题得以解决，取得了满意的效果。

关键词：尾部烟道；振动；卡门涡流；隔板

中图分类号：TK 227.7       文献标识码：B

0 引言

某发电公司#1锅炉从2015年检修后尾部烟道时常发生振动，振动跟负荷有关，主要发生在600MW负荷以上，随着负荷的继续增加，振动也逐渐增强，600MW负荷以下未见明显振动。600MW负荷以上振动又与烟气挡板开度有关，过热器挡板在100%，再热器挡板在30%以下时易发生振动。发生振动时调节再热烟气挡板至50%时，减小过热侧的烟气量和流速，振动消除。然而，再热烟气挡板开度在30%以上时需开再热器减温水控制再热汽温，影响锅炉经济性。

1 设备概况

该锅炉是东方锅炉股份有限公司制造的DG2060/26.15-II1型国产超超临界变压本生直流锅炉。一次再热、单炉膛、前后墙对冲燃烧、尾部双烟道结构、采用烟气挡板调节再热汽温、固态排渣、平衡通风、全钢结构、露天布置、全悬吊结构Π型炉，主要技术见表1。

表1  锅炉主要参数

其尾部为双烟道结构，通过中隔墙分为前后两个烟道。前侧烟道为低温再热器，由三段水平管组组成；后侧烟道上部为低温过热器，单段水平管组，下部布置省煤器，由2段水平管组组成，见图1。前后烟道各有烟气挡板，调节过热器和再热器的汽温。

图1 尾部烟道布置

2 振动原因分析

高负荷时，过热器烟气挡板为全开状态，再热器的烟气挡板保持较小开度，所以低温过热器侧的烟气流速较大，低温再热器侧的烟气流速较小。并且尾部烟道振动情况下调节再热烟气挡板至50%，减小了过热侧的烟气量和流速，振动消除。说明该振动与烟气流速有关。比较振动发生前后入炉煤煤质，热值明显下降；随着燃煤热值的下降，同样工况下烟气量增加，低温过热器区域的流速增加，也表明该振动与烟气流速存在关系。

尾部烟道中，随着烟气向后流动，温度逐渐降低，烟气流速也随着温度的降低而减小，所以在尾部烟道中，低温过热器区域的流速最高。

经以上分析，认为该振动是烟气流经低温过热器水平段管排产生的卡门涡流所引起的声学型振动。烟气在管束中流动时，在管后的尾流呈现一种顺时针方向和逆时针方向交替旋转的漩涡。这些漩涡交替地从管子两侧脱落，脱落频率与来流速度成正比。卡门涡流的脱落使管子后方产生了垂直于管子和气流方向的气压脉动。如果管束中卡门涡流的脱落频率与管束间烟气柱声驻波的固有频率耦合，就会激发起烟气柱发生强烈的自激振动，继而引起尾部烟道的振动。

2.1  卡门涡流频率

卡门涡流脱落频率f的计算式为：

式中：u为烟气速度，m/s；d为受热面管子外径，m；S是一个与雷诺数有关的无因次量。

设L为管排的纵向节距，m；T为横向节距，m；则顺列管排的S为：

根据机组设计资料，低温过热器水平段绕组的纵向节距为0.1520m，横向节距为0.1143m，管子外径为0. 0510m。在600MW进行了锅炉烟气量测量，计算低温过热器烟气平均流速是9.5m/s。将相关参数带入脱落频率f的计算式后，求得f为37.46Hz。

2.2  烟道驻波频率

周期和振幅相同的波向顺列管束间传播时互相干涉，形成驻波。当低密度的流体稳定地横向流过管束时，可能产生一个既垂直于管子、又垂直于流动方向的声学驻波，尾部烟道满足驻波发生条件。驻波是一种纵波，波的传递速度与驻波所在介质的声速相同。由于烟道内的声波可以与反射回来的声波叠加，因此烟道的驻波有n阶（n＝1，2，3……），也称n次谐波。

假如烟道内存在驻波，则其波长和烟道宽度W之间必然有一定的关系，基波（一阶谐波）波长是烟道宽度的两倍；二阶谐波波长等于烟道宽度；三阶谐波波长为烟道宽度的2/3……驻波频率fz计算公式为：

式中：c为某一温度下烟气介质中的声速；n＝1，2，3……；W为烟道宽度，m。

某一温度下的声速可由下式求出：

式中：烟气绝热指数K=1.333；烟气气体常数R=276J/kg·K；T为气体热力学温度, K。

低温过热器所在位置的烟道宽度W为23.5318m。在600MW工况，低温过热器水平段烟气平均温度为636 ℃。将相关参数带入驻波频率fz的计算式后，求得当n=3时，fz为36.86Hz。

2.3  声学共振的判定

当卡门涡流频率与烟道某阶谐波频率之比k符合条件：0.8＜k＜1.2时，也就是频率相差不超过20％时，就可以引发声学共振。低温过热器水平段的卡门涡流频率与烟道三阶谐波的比值是1.016，满足发生声学共振的条件。

2.4 振动测试

为验证对振源的判断和振动频率的计算，对尾部烟道的振幅和频率进行了试验测试。测试在机组600MW负荷，尾部烟道振动时进行。测试位置选择在尾部烟道分段管组中间区域，测点布置在检修人孔处，见图2，测试数据见表2。

表2 振动测量结果

图2 振动测量位置

由试验测量结果可以看出，低温过热器出口区域振幅最大，并且振动频率为36.9Hz，和计算值非常相近。判断低温过热器区域为振源区域。

3 治理方案

锅炉烟道是一个易发生共振的结构。一方面，烟气流过管束时，卡门涡流必然产生，故引起共振的激振力总是存在。另一方面，烟气流的声驻波具有无限的谐波，只要卡门涡流引起的激振频率与烟气柱声驻波的任一谐波频率相耦合，共振都会发生。

要抑制这种气体的振动，必须使振动系统失谐。为达到此目的，可以在烟道的宽度方向装设若干隔板。隔板可以将低温过热器所在的尾部烟道分为多个较小的隔间，使各个隔间的声驻波固有频率大于卡门涡流的最大频率。根据相关资料，一般把隔间的固有频率提高到 100Hz以上。

隔板在振源区域低温过热器处安装，沿尾部烟道宽度方向共布置 8 组，每组安装位置见表3，每组有 5 片钢板。每组隔板由 5 片装设在同一平面、高 2650 mm、宽 1550 mm 的矩形钢板组成，见图3，由于低温过热器管卡布置原因，5片隔板错列布置，并使其能够将贯通管排纵向节距的气柱完全隔断。

图3  隔板位置示意

表3  隔板安装位置表

锅炉对称中心线一侧的隔板间距互不相同，使得不同隔间的声驻波频率不同。即使在管组的某一部分发生共振，其它部分由于它们的固有频率不同而保持平静。因此共振是局部的，整个管组不会发生总体振动。而且这种局部的振动也很轻微，因为所有相邻的其它气柱由于惯性作用而对这一振动起阻尼作用。

图4  隔板安装

4 结束语

2016年6月按此方案对低温过热器布置隔板，见图4，锅炉再次启动，无论高低负荷未再发生尾部烟道振动。

锅炉尾部烟道振动受锅炉性能、结构、生产工艺等方面的影响，在运行中也受入炉煤质，运行控制等影响。所以在锅炉的设计、制造中要进行充分的考虑、核算，需要的话在工厂预装隔板后出厂。

参考文献：

[1]孙笼.工程流体力学[M].北京：水利电力出版社.1992.

[2]丁立新.电厂锅炉原理[M].北京：中国电力出版社.2008.

[3]董坤.卡门涡旋流对电站锅炉安全性的影响及治理措施[J].热力发电，2008， 37(10):31－34．

作者简介：

李有信（1981—），男，河南方城人，工程师，从事电厂试验及调试方面的工作（E-mail：94660172@qq.com）。

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